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想象一下,直徑 3 毫米的金屬玻璃線,即使加熱到 700 多度,也可以吊起重達 2.5 噸的汽車是怎樣的奇觀?

 

最近,中科院物理研究所柳延輝老師課題組發表在nature上的一篇文章昭示這一奇觀有望實現,該文章報道了柳老師課題組新研發的一種金屬玻璃:Ir–Ni–Ta–(B),該材料在 727℃ 的高溫下仍具有 3.7 千兆帕的高強度。

 

 

除了強度高,Ir–Ni–Ta–(B) 金屬玻璃還具有很高的耐腐蝕性。材料的耐腐蝕性往往和抗氧化性有一定關系,因此研究人員利用飛納電鏡,對金屬玻璃高溫下的抗氧化性進行了測試。通過背散射圖像的成分襯度和能譜測試結果可以發現,在 1000K 的高溫下,氧化 60 分鐘後,氧化層深度不到 0.01 毫米,并且表面光滑,無明顯腐蝕坑。

 

飛納電鏡對金屬玻璃抗氧化性形貌特征和能譜成分分析結果

 

Question 1:好學的小夥伴不禁要問,什麼是金屬玻璃?

 

在介紹金屬玻璃之前,要先了解固體材料原子的排列方式。

 

将固體材料的原子想像成一顆顆的彈珠,彈珠規則排列的材料稱為晶體,不規則排列則稱為非晶體。一般來說,金屬材料都是晶體結構,而常見的非晶材料有玻璃、瑪瑙等。

 

透射電子顯微鏡觀察到微觀結構
(a 為非晶體結構,b 為晶體結構)

 

金屬玻璃又稱非晶态合金,他的成分是金屬元素,但原子的排列長程無序,具有非晶體的結構特征。它既有金屬和玻璃的優點,又克服了它們各自的弊病。

 

金屬玻璃的強度遠高于鋼,且具有一定的韌性和剛性,同時具有耐腐蝕、耐摩擦等性能。

 

Question 2:那麼,怎樣使金屬變成 “玻璃” 呢?

 

一般來說,金屬在冷卻時會結晶,原子會排列成有規則的圖案,稱之為晶格。但如果結晶不出現,原子随機排列,則形成金屬玻璃。

 

方法:将金屬高溫熔化後,以極快的速度冷卻,使金屬原子來不及按常規編排結晶,原子還處于不整齊、雜亂無章的狀态便被 “凍結” 了,因此,出現了類似玻璃的微觀結構。

 

 

Question 3:柳老師制備的金屬玻璃到底有多厲害呢?

 

幾乎所有的金屬都可通過快速凝固的方式成為金屬玻璃,但要開發一種制備簡單,性能優良的金屬玻璃并不容易。

 

金屬玻璃的機械性能主要取決于其玻璃化轉變溫度,在接近玻璃化轉變溫度時,強度會顯著降低。因此,老師希望金屬玻璃擁有較高的玻璃化轉變溫度。

 

盡管已經有人開發出玻璃化轉變溫度大于 1000K (727℃) 的金屬玻璃,但過冷液體區域(玻璃化轉變溫度和結晶溫度之間)很窄,導緻金屬成形性較差,限制了其實際應用。

 

Ir–Ni–Ta–(B) 金屬玻璃的玻璃化轉變溫度已經高達 1162 K,且過冷液體區域為 136 K,比目前大多數金屬玻璃的都寬。這意味着在高溫或惡劣環境下應用的小型部件可以很容易地通過熱塑性成形獲得。

 

過冷液體區域與玻璃化轉變溫度以及各種合金的高溫強度

 

自1960年以來,研究人員已開發出基于各種元素的金屬玻璃。然而,非晶合金是典型的多組元合金材料,形成過程極其複雜,多個組元構成的成分空間十分龐大。

 

 “一次實驗,一個樣品” 的材料研究方法不僅導緻新材料探索效率低,所獲得的實驗數據也缺乏系統性,使得人們難以全面把握非晶合金形成的主要規律和性能調控機制。

 

為了鑒定感興趣的合金,柳老師課題組根據先前報道的玻璃形成能力與電阻率之間的關聯性,提出了一種簡化的組合方法。

 

這種方法是無損的,允許随後對同一樣本庫中的一系列物理屬性進行檢測。該研究的發現與設計和方法的實用性為高強度、高溫、大塊的其他具有高性能的玻璃合金的研究提供了理論的可能和方法的支持。

 

Ir–Ni–Ta–(B) 塊狀金屬玻璃的高通量表征

 

最後,秀一下柳老師與飛納電鏡的合影,期待柳老師更多科研成果。

 

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